Cần thêm dung lượng? thử đi

Các kỹ sư đã thành công trong việc đẩy nhiều bộ nhớ hơn vào các không gian nhỏ hơn trong nhiều thập kỷ, nhưng điều đó không thể tiếp tục mãi mãi. Bước nhảy lớn tiếp theo trong lưu trữ dữ liệu có thể có dạng DNA bên trong tất cả các chất hữu cơ: Các nhà khoa học tại các phòng thí nghiệm trên cả nước đang thử nghiệm DNA tổng hợp làm phương tiện lưu trữ.

"Nếu bạn nhìn vào nơi điện tử sẽ đến, công nghệ silicon, rất nhiều công nghệ cơ bản mà chúng ta sử dụng để chế tạo máy tính ngày nay, chúng ta đang tiến đến giới hạn trong hầu hết tất cả chúng", Luis Henrique Ceze, phó giáo sư khoa học máy tính nói. và kỹ thuật tại Đại học Washington. "DNA rất dày đặc, nó rất bền và cần rất ít năng lượng để duy trì, vì vậy có rất nhiều lợi thế của việc sử dụng DNA để lưu trữ dữ liệu."

Ceze đã làm việc với Karin Strauss, một nhà nghiên cứu kiến ​​trúc máy tính của Microsoft Research, về sự hợp tác giữa hai tổ chức, một dự án kết nối khoa học máy tính và sinh học. Đối với một nhóm khoảng 20 người, trường đại học cung cấp cho các nhà sinh học phân tử và Microsoft cung cấp cho các nhà khoa học máy tính.

Để hiểu làm thế nào DNA có thể được sử dụng để lưu trữ, hãy xem xét rằng tất cả dữ liệu máy tính là nhị phân hoặc cơ sở 2. DNA là cơ sở 4, bao gồm adenine, cytosine, guanine và thymine (viết tắt là A, C, G và T). Bước đầu tiên là chuyển đổi thông tin cơ sở 2 thành cơ sở 4, do đó A tương ứng với 00, C thành 01, G thành 10 và T thành 11 (đơn giản hóa một chút nhưng có thể hiểu được ý tưởng).

Sau đó, các nhà khoa học sử dụng một máy gọi là tổng hợp DNA để kết hợp bốn hóa chất theo đúng thứ tự. Kết quả lưu trữ thông tin nhiều lần dưới dạng một cụm giống như muối nhỏ hơn đầu bút chì. Đọc thông tin đó trở lại đòi hỏi một trình tự DNA.

Trong khi điều này nghe có vẻ mỏng manh giống như một thứ gì đó có thể thổi bay khi cánh cửa mở ra đột ngột DNA DNA là phương tiện lưu trữ dữ liệu mạnh nhất mà chúng ta đã thấy. Các nhà khoa học đã đọc thành công DNA có hàng trăm ngàn năm tuổi.

Trình tự DNA liên quan đến việc loại bỏ một chút nhỏ của vật liệu được lưu trữ và quá trình làm cạn kiệt mẫu đó. Do đó, một bản ghi DNA có thể được đọc một số lần hữu hạn. Tuy nhiên, đó không phải là vấn đề vì vật liệu được lưu trữ có quá nhiều dữ liệu dư thừa; nó có thể được lấy mẫu nhiều lần. Các phương tiện lưu trữ ngày nay cũng có một số chu kỳ ghi và đọc hạn chế trước khi chúng thất bại, vì vậy điều này không có gì mới.

Như Ceze chỉ ra, DNA sẽ không bao giờ bị lỗi thời. Mặc dù nhiều người trong chúng ta có đĩa mềm ở phía sau ngăn kéo mà chúng ta không còn có thể đọc được, đó sẽ không phải là định mệnh của DNA. "Chúng tôi sẽ luôn quan tâm đến DNA vì khoa học sự sống và lý do sức khỏe, vì vậy bạn sẽ luôn có cách đọc thông tin được lưu trữ trong DNA, " Ceze nói.

Vào tháng 7 năm 2016, Microsoft và Đại học Washington đã mã hóa thành công 200 MB dữ liệu thành dạng DNA, vượt qua kỷ lục 22 MB trước đó. Sử dụng DNA, Strauss nói, có thể lưu trữ 1 exabyte dữ liệu, đó là 1 tỷ GB, trong một khối 1 inch.

"Chúng tôi đã ước tính số lượng dữ liệu bạn có thể đặt trong một khối lượng cụ thể", Strauss nói. "Chúng tôi đã cố gắng ước tính khối lượng sẽ là bao nhiêu nếu hôm nay chúng tôi quyết định lưu trữ toàn bộ Internet có thể truy cập, nghĩa là mọi thứ không nằm sau mật khẩu hoặc bất kỳ loại tường điện tử nào và chúng tôi đã đưa ra kích thước của một hộp đựng giày lớn."

Nghe có vẻ như là một đề xuất xa vời, nhưng Ceze tin rằng chúng ta sẽ thấy các hệ thống lưu trữ DNA thương mại trên thị trường trong một thập kỷ. Chúng sẽ không hoạt động chính xác như lưu trữ vi xử lý, vì DNA yêu cầu môi trường hóa học ướt để tạo, nhưng chúng sẽ cung cấp dung lượng lớn và truy cập ngẫu nhiên ở cùng tốc độ mà các hệ thống băng doanh nghiệp cung cấp hiện nay.

Lĩnh vực tiến bộ nhanh chóng

DNA đã tồn tại hàng tỷ năm, nhưng việc trình diễn DNA như một công nghệ lưu trữ có thể sử dụng được bắt đầu vào năm 1986 khi nhà nghiên cứu MIT Joe Davis mã hóa một hình ảnh nhị phân đơn giản thành 28 cặp DNA cơ sở.

Một người tiên phong khác trong lĩnh vực này là George Church, một giáo sư di truyền học, người đã làm việc tại Trường Y Harvard từ năm 1977 và điều hành phòng thí nghiệm của riêng mình từ năm 1986. Church đã quan tâm đến việc giảm chi phí đọc và viết DNA từ những năm 1970, tin rằng một ngày nào đó họ sẽ cùng nhau tạo ra lưu trữ dữ liệu thực tế. Anh bắt đầu thích nghiên cứu DNA vào khoảng năm 2000 và thực hiện các thử nghiệm tổng hợp và giải trình tự quan trọng vào năm 2003 và 2004. Đến năm 2012, anh đã có thể kết hợp cả hai khu vực lại với nhau và tạo ra một hệ thống mã hóa dữ liệu. Ông đã viết lên công trình đó trong một bài báo có ảnh hưởng năm 2012 trên tạp chí Khoa học .

"Trước năm 2003 và '04, việc sắp xếp và tổng hợp đã được thực hiện chủ yếu ở các mao quản, hoặc các ống nhỏ, nơi bạn có một ống trên mỗi chuỗi, " Church giải thích. "Nó khá thủ công và không thể mở rộng. Bài học mà chúng tôi đã học được từ ngành công nghiệp bán dẫn vi mô là bạn cần phải đưa ra một cách cơ bản để đặt chúng trong một mặt phẳng hai chiều và sau đó thu nhỏ kích thước tính năng. Các phương pháp dựa trên cột tương thích với điều đó, và vì vậy vào năm 2003, chúng tôi đã chỉ ra cách bạn có thể phân phối các chuỗi trên mặt phẳng hai chiều và sau đó chụp ảnh chúng bằng hình ảnh huỳnh quang hiện là cách sắp xếp thứ tự thống trị. Sau đó, năm 2004, chúng tôi đã chỉ ra rằng bạn có thể sản xuất DNA trên một mặt phẳng và sau đó trượt nó ra, và sau đó nó có thể nhỏ gọn hơn nữa, vì vậy máy bay chỉ là nơi tạm thời để tổng hợp chúng. Sau đó, bạn có thể nén chúng thành một vật thể ba chiều gấp hàng triệu lần nhỏ gọn hơn lưu trữ dữ liệu bình thường.

"Đó là bằng chứng của các bài tập khái niệm vào năm 2003 và 2004. Vào năm 2012, chúng tôi và những người khác đã cải tiến cả phương pháp đọc và viết cho DNA, và tôi kết hợp chúng vào một thí nghiệm mà tôi đã mã hóa một cuốn sách mà tôi vừa viết vào DNA, bao gồm cả hình ảnh, cho thấy về cơ bản mọi thứ mà kỹ thuật số có thể được mã hóa bằng DNA. "

Mặc dù chi phí là một trở ngại đáng kể cho việc lưu trữ DNA, Church lưu ý rằng giá đã giảm mạnh trong thời gian ngắn mà nghiên cứu đã được thực hiện. Chi phí đọc DNA đã được cải thiện khoảng 3 triệu lần, trong khi chi phí viết đã được cải thiện gấp hàng tỷ lần. Anh ta có thể thấy cả hai cải thiện thêm một triệu lần nữa trong thời gian ngắn hơn. Ông cũng chỉ ra rằng chi phí sao chép tài liệu DNA là gần như miễn phí, cũng như chi phí lưu trữ lâu dài. Đối với lưu trữ lưu trữ, chi phí đọc dữ liệu không phải là một trở ngại lớn, vì nhiều tài liệu lưu trữ không bao giờ được đọc và một số mục được đọc có chọn lọc. Nhìn vào chi phí của toàn hệ thống, ông khuyên. Phương pháp lưu trữ truyền thống di chuyển với tốc độ Luật Moore và sẽ sớm cao nguyên. Nhưng công nghệ lưu trữ DNA đang di chuyển nhanh hơn định luật Moore và không có dấu hiệu cao nguyên.

Lưu trữ và lưu trữ đám mây là nơi Church thấy lưu trữ dữ liệu DNA được chấp nhận đầu tiên. Các công ty bao gồm IBM, Microsoft và Techncolor có các nhóm nghiên cứu và phát triển riêng của họ nghiên cứu về khu vực này, ông lưu ý. Ông đã hợp tác với Techncolor vào năm 2015 để lưu trữ A Trip to the Moon, một bộ phim kinh điển năm 1902 từng bị mất, cho DNA. Bây giờ Techncolor có nhiều bản sao DNA, kết hợp lại, không lớn hơn một hạt bụi.

Church có một phòng thí nghiệm gồm 93 người làm việc về lưu trữ DNA và hiện đang tập trung vào hai mục tiêu. Đầu tiên là cải thiện triệt để tốc độ trên mỗi chu kỳ. Thông tin được lưu trữ trong hàng trăm lớp, mỗi lớp dày như một phân tử. Mỗi lần bổ sung hiện mất ba phút, nhưng Church tin rằng có thể hạ xuống dưới một phần nghìn giây. Đó là nhanh hơn 200.000 lần, ông lưu ý, và có nghĩa là một sự thay đổi từ hóa học hữu cơ sang hóa sinh. Ông cũng muốn thay đổi cách các công cụ được sử dụng để đọc và viết được sản xuất để làm cho chúng nhỏ hơn nhiều. Hiện tại, chúng có kích thước của tủ lạnh lớn. Anh ấy muốn điều đó giảm xuống.

Dự phòng tích hợp và sự cần thiết phải sửa lỗi

Một nhà nghiên cứu chịu ảnh hưởng từ bài báo Khoa học năm 2012 của Church là giáo sư Olgica Milenkovic của Đại học Illinois, Urbana-Champaign. Bài báo đề cập đến sự cần thiết của tiền mã hóa, điều này ngay lập tức kích thích sự quan tâm của cô. Mã hóa trong nghiên cứu lưu trữ là một kỹ thuật để thêm dự phòng vào dữ liệu, dự phòng mà sau này có thể được sử dụng để sửa lỗi cho các lỗi xảy ra trong quá trình đọc và viết. Để biết ví dụ về lý do tại sao điều này lại quan trọng, hãy xem hai hình ảnh Citizen Kane tại đây. Cả hai đều được mã hóa trong DNA bởi nhóm của Milenkovic và sau đó đọc. Đoán xem ai đã sử dụng dự phòng.

Bạn đã đúng: Hình ảnh bên trái được mã hóa dự phòng và hình ảnh bên phải thì không.

Một cách đơn giản để thêm dự phòng là lặp lại mỗi ký tự một số lần đặt. Thay vì viết 0, hãy viết bốn lần. Đó là cách tiếp cận vũ phu, đơn giản nhưng không hiệu quả. Công việc của Milenkovic là về việc đạt được sự sửa lỗi tương tự theo cách tinh vi hơn. Nó liên quan đến các kỹ thuật được gọi là kiểm tra chẵn lẻ hoặc kiểm tra đồng dư tuyến tính để cung cấp các cách xác minh dữ liệu.

"Toàn bộ lĩnh vực, về cơ bản là giúp bạn sửa lỗi nếu chúng xuất hiện hoặc, thậm chí tốt hơn, tránh các lỗi mà bạn biết rất có khả năng xuất hiện", Milenkovic nói. "Chúng tôi giới thiệu sự dư thừa có kiểm soát để loại bỏ lỗi và sự dư thừa có kiểm soát đó không phải là hình thức lặp lại đơn giản, bởi vì điều đó rất không hiệu quả."

Đó là điều đã đưa Milenkovic vào lĩnh vực này, nhưng nghiên cứu của cô bây giờ là về việc giảm chi phí tổng hợp DNA khổng lồ.

"Học sinh của tôi, H. Tabatabae Yazdi, người rất tích cực trong chủ đề này và tôi đã rất cố gắng để đưa ra một cách thông minh để tránh tổng hợp DNA. Tổng hợp DNA hoàn toàn là một nút cổ chai cho công nghệ này vì chi phí cao, "Milenkovic nói.

Mặc dù Milenkovic không muốn tiết lộ quá nhiều về nghiên cứu chưa được công bố, nhưng giải pháp của cô liên quan đến "phương pháp toán học xảo quyệt" và tất cả là về thời gian, trong đó kích thước của khoảng giữa các bit thông tin là có ý nghĩa.

"Nếu bạn phân phối với hình thức rằng bạn muốn sử dụng ATGC để thực sự mã hóa các ký hiệu nhị phân tại một vị trí nhất định, bạn có thể đưa ra các phương tiện lưu trữ thông tin hiệu quả và thông minh hơn nhiều, vì bạn không cần phải tổng hợp nhiều lần một lần nữa, "Milenkovic giải thích. "Bạn có thể tổng hợp chúng một lần theo một cách nhất định và sau đó sử dụng lại DNA tổng hợp đó theo kiểu kết hợp thông minh."

Thông qua công việc của mình, Milenkovic hy vọng sẽ giảm chi phí tổng hợp DNA xuống ít nhất ba bậc độ lớn. Điều đó vẫn chưa đủ, cô ấy lưu ý, nhưng đó là sự tiến bộ. Nó cũng góp phần vào một dòng nghiên cứu mà cô thấy hấp dẫn.

"Thật thú vị, thành thật mà nói, để chơi Chúa và mã hóa thông tin của riêng bạn trong DNA, " Milenkovic nói. "Nó mang lại cho một người cảm giác phấn khích khi biết rằng bạn đang chơi với một phân tử tự nhiên đã chọn và khiến nó làm những gì bạn muốn lưu trữ và mã hóa và truyền tải thông tin đến tương lai."

Thanh toán bằng tiền mặt ngay bây giờ

Đó không phải là tất cả các nghiên cứu hàn lâm bụi bặm với lưu trữ DNA. Helixworks, một công ty có trụ sở tại Ireland, đang cố gắng kiếm tiền từ nó. Nó có một sản phẩm trên Amazon.

"Chúng tôi đã khởi chạy trên Amazon để bạn có thể nhận được 512KB dữ liệu kỹ thuật số được mã hóa vào DNA", Nimesh Pinnamaneni, người đồng sáng lập của công ty giải thích. "Đó là một cái gì đó rất nhỏ. Có thể là một bức tranh hoặc có thể là một bài thơ, một cái gì đó như thế."

Đó là một giao dịch mua bất thường, nhưng nó có thể là mã thông báo tình yêu hoàn hảo cho người có tất cả mọi thứ, đặc biệt nếu người đó là nhà khoa học:

"Tôi nhớ một khách hàng gọi cho chúng tôi. Anh ấy muốn tặng vợ anh ấy, cả hai đều là nhà công nghệ sinh học, anh ấy muốn tặng vợ nhân kỷ niệm ngày cưới. Anh ấy muốn gửi một tin nhắn vào DNA và tặng cô ấy một DNA", Pinnamaneni nhớ lại. "Cô ấy sẽ phải giải trình tự DNA để đọc tin nhắn. Đó là một cách khá phức tạp để gửi tin nhắn tình yêu, nhưng có lẽ nó dễ thương cho các nhà công nghệ sinh học, bạn biết không?"

Nhưng Helixworks đã đi trước một chút khi đăng sản phẩm của mình lên Amazon vào tháng 8 năm 2016, trước khi nó sẵn sàng thực hiện các đơn đặt hàng. Hai người đã mua cho công ty 199 đô la DNADrive của mình một viên nang vàng 14 cara với một cụm DNA bên trong trước khi Helixworks buộc phải hủy bỏ sản phẩm của mình. DNADrive vẫn còn trên Amazon, nhưng không thể mua được.

Điều đó không có nghĩa là Helixworks đã kết thúc, chỉ là quá háo hức. Nó đến quá xa để dừng lại bây giờ. Công ty bắt đầu tại Đại học Borås ở Thụy Điển, nơi Pinnamaneni (ảnh trên, bên trái) và Sachin Chalapati (phải), người đồng sáng lập khác của công ty, đang lấy bằng thạc sĩ về công nghệ sinh học. Họ đã gây quỹ cho nghiên cứu lưu trữ DNA, tiếp tục công việc của họ sau khi trở về nhà ở Bangalore, Ấn Độ và phát triển một bằng chứng về khái niệm.

Đóng góp cho các quỹ bổ sung đã đưa họ đến chương trình tăng tốc IndieBio do SOSV, một công ty đầu tư mạo hiểm khởi nghiệp ở San Francisco, California. Helixworks đã được chương trình lựa chọn và giành được 50.000 đô la tiền mặt và khả năng làm việc từ một phòng thí nghiệm ở County Cork, nơi đã diễn ra trong sáu tháng qua. Chương trình bao gồm tư vấn về việc giới thiệu một sản phẩm, mà Helixworks sẽ đưa vào sử dụng tại lễ hội South by Southwest năm nay, nơi nó sẽ cạnh tranh trong một sự kiện sân cỏ.

Trong khi tạo ra các viên nang DNA vàng cuối cùng có thể là một khía cạnh sinh lợi, Pinnamaneni nói rằng tương lai của công ty ông là trong các máy in DNA văn phòng và nhà nhỏ gọn mà nó đang phát triển. Anh ấy muốn làm cho việc lưu trữ DNA dễ dàng và đủ giá cả phải chăng cho bất cứ ai sử dụng.

"Chúng tôi đã tìm ra rằng bạn cần phải có một cái gì đó hoạt động như một hộp mực trong máy in, " Pinnamaneni giải thích. "Bạn chỉ có bốn màu, và bốn màu này có thể kết hợp để tạo thành bất kỳ màu nào có thể, phải không? Đó là cách máy in mực của bạn hoạt động. Chúng tôi đã tìm ra rằng chúng ta cần phải có một cái gì đó giống như vậy trong hệ thống của chúng tôi. Chúng tôi đã thiết kế một hộp gồm 32 thuốc thử có thể được kết hợp để tạo thành bất kỳ chuỗi DNA nào có thể. "

Trong khi các phòng thí nghiệm khác đang trả khoảng 30.000 đô la mỗi lần họ cần tổng hợp DNA, một hoạt động phải mất hàng tuần để hoàn thành, Pinnamaneni nói rằng phát minh của ông có thể làm giảm đáng kể chi phí và thời gian. Helixworks đang hợp tác với Opentrons, một công ty sản xuất thiết bị phòng thí nghiệm tự động, để tạo ra máy in. Đó là những gì nó sẽ ném ở SXSW.

"Những gì chúng tôi sẽ trình diễn trên sàn triển lãm là viết DNA ngay trước mắt bạn, " Pinnamaneni nói.

Công ty sẽ không nhận bất kỳ đơn đặt hàng nào. Và điều đó thật tốt, bởi vì nhà công nghệ sinh học lãng mạn đó vẫn đang chờ món quà kỷ niệm của anh ấy.